基于Solidworks的包馅机械成型刀盘的仿真分析

徐华俊 汤 萍（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603）

包馅成型机械是专门用于生产各种带馅食品的机械，其主要部件是成型刀盘。传统的包馅机械中成型刀盘由两个左、右成型盘组成，生产中靠左右成型盘旋转搓圆包馅食品的面皮和馅料，该种成型方法实际生产效率较低，如果提高生产速度则制作出的成品外观较差，影响了成品的美观度［1，2］。

针对此种弊端，设计一种新型包馅机械的成型刀盘，以改善生产效率，提高产品的美观度。国内外文献中没有关于此种新型成型刀盘的动力学相关研究，而理论计算校核复杂、抽象，本试验利用Solidworks软件对其工作状态做动力学分析，使分析过程更简单、直观。

1 工作原理

成型刀盘结构如图1所示，连杆机构与滑动固定销连接，驱动刀具旋盘做正反角度摆动，从而带动成型刀具1、2（3把成型刀具1和6把成型刀具2）从图2（a）所示位置转动到图2（b）所示位置，完成对面皮的切断和花皱的成型。

图1 成型刀盘结构图Figure 1 Forming cutter structure

图2 成型刀盘工作状态图Figure 2 Molding cutter state diagram

刀具旋盘旋转时带动成型刀具1、2做直线移动，其中成型刀具1在滑动槽中滑动，九把成型刀具的运动轨迹终点为成型孔圆心。成型旋盘材料为铸铝，滑动固定销与刀具旋盘材料为不锈钢，成型刀具材料为超高分子量聚乙烯—UPE，利用UPE的自润滑、耐冲击、卫生无毒的优良特性，而且其不黏性较好，制品表面与其他材料不易相附。

2 运动学仿真分析

Solidworks Motion与Solidwors Simulation具有强大的动力学仿真分析功能，可以对设计结果进行验证、修改、优化设计方案，使得以前需要组织研究团队、进行复杂设计计算、制造样机验证结果的设计过程简化［3，4］。

在Solidworks Motion中将成型旋盘设置为固定，其他部件设定为相对运动。将9把成型刀具之间、刀具与成型盘之间、刀具与滑动固定销之间设置为实体接触，摩擦类型为动摩擦，驱动旋盘驱动类型设定为振荡，驱动时间为10s，完成运动仿真分析，并且输出仿真结果。输出位移—时间曲线见图3，输出旋盘驱动力矩的力矩—时间曲线见图4。

图3 位移—时间曲线Figure 3 The displacement time curve

图4 驱动马达力矩曲线图Figure 4 The drive motor torque curves

由图3可知，刀具旋盘在10s内完成了5个开闭循环，在0～1s，刀具旋盘从0°～40°，成型孔打开。在1～2s，刀具旋盘从40°～0°，成型孔闭合，成型刀盘2s内完成一个包馅动作循环。

由图4可知，刀具旋盘的启动初始力矩为0.045N·m，最大驱动力矩为0.053N·m，在启动时旋盘需要克服各成型刀具间的静摩擦力，在成型刀具移动到导向槽中间位置时其驱动力矩最小，在最后完成切断动作时，成型刀具移动到导向槽末端，成型刀具的底边相互挤压，力矩增大，这与成型刀具外形为三角形有关。

成型刀具1的线性速度如图5所示，成型刀具在0.5s左右驱动力矩最小，此时刀具1运动到导向槽中点位置左右，其运动速度达到最大值73mm/s。由图5、6可知，成型刀具1运动速度曲线振荡循环，成型刀具在切制面坯的过程中较平稳。图7为成型刀具2线性速度曲线图，与图5相同，说明在旋盘转动切面坯的过程中成型刀具1、2运动同步，达到了切制面坯的作用。

图5 成型刀具1线性速度Figure 5 Molding tool 1linear velocity

图6 旋盘角加速度Figure 6 Rotary wheel angle acceleration

图7 成型刀具2线性速度Figure 7 Molding tool 2linear velocity

3 有限元分析

将上述运动仿真输入Solidworks Simulation中进行有限元分析，可以对运动过程中各点的受力情况进行分析。本例中将刀具旋盘一个工作循环过程分为18个瞬时分析点（即18个工作情形），利用Solidworks Simulation分析各个瞬时点成型刀具1的受力与形变情况，具体步骤［4－6］：

（1）将运动分析输入载荷，分析起始点从0到2.0s共计18个点的受力分析；应用材料，从Solidworks Materials库文件中选择PE高密度；划分网格，在网格参数下，选择基于曲率的网格，设置最大单元大小至数值30mm附近，生成网格。

（2）运行设计算例，完成图表结果的输出。在整个旋转运动过程中成型刀具1形变位移与应力图解见图8、9。由图8、9可知，成型刀具1可能的变形点在刀尖位置，但整个刀尖变形处于安全值内。

（3）设计算例全局值。整个运动过程中成型刀具的全局合位移综合值见图10，全局应力值见图11。由图10可知，随刀具旋盘运动角度的增加，成型刀具1的位移变形也线性增加，但最大变形量≤0.022mm。由图11可知，随刀具旋盘运动角度的增加，成型刀具1的应力值线性增加，最大应力≤3.05×105N/m2，其应力远小于材料的屈服极限3.8×107N/m2。但是通过图10、11能看到在启动初某点应力有一定突变，结构设计需要优化。

图8 位移图解Figure 8 Displacement diagram

图9 应力图解Figure 9 Stress diagram

图10 合位移Figure 10 Displacement

图11 应力综合值Figure 11 Stress value

4 结论

本试验将Solidworks Motion和Solidwors Simulation结合，把Solidworks Motion的输出结果无缝输入到Solidworks Simulation中，对运动中的零件各瞬时位置进行有限元分析，使整个分析过程更加快捷、直观，分析结果更接近实际工况。该种分析方法简化了繁琐的理论计算，缩短了产品设计周期，提高了设计效率。通过仿真分析结果可知成型刀盘结构初步达到设计要求，但在启动时某点应力有突变，结构设计需要优化。

1 高海燕.食品加工机械与设备［M］.北京：化学工业出版社，2008：27～38.

2 张佰清，李勇.食品机械与设备［M］.郑州：郑州大学出版社，2012：243～247.

3 陈超祥，胡其登.Solidworks Motion运动仿真教程［M］.北京：机械工业出版社，2012：174～188.

4 陈超祥，胡其登.Solidworks Simulation基础教程［M］.北京：机械工业出版社，2012：146～171.

5 余坚勇，郝利民，钱平，等.基于有限元分析的浅盘食品包装容器设计［J］.食品与机械，2011，27（2）：94～97.

6 权浩.基于Solidworks的空气压缩机建模及仿真分析［J］.煤矿机械，2011（8）：83～85.